Espuma de poliuretano
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Poliuretano flexible
Los poliuretanos (PU) representan una amplia clase de polímeros que se pueden obtener por reacción entre diisocianatos o poliisocianatos con dioles o polioles. Dependiendo de las proporciones de los reactivos, la estructura de los polioles o isocianatos, los catalizadores, las condiciones de reacción, etc. Se pueden obtener espumas (rígidas o flexibles), cauchos, elastómeros, revestimientos o adhesivos. De manera más general, los PU están disponibles en el mercado como polímeros termoplásticos y como polímeros termoendurecibles. Los poliuretanos son una clase de polímeros caracterizados por el enlace uretano. Se llama enlace uretano o carbamato, y se obtiene de la reacción entre un isocianato (función característica: -NCO) y un poliol (función característica: -OH).
Polioles
Los polioles son componentes esenciales ya que juegan un papel importante en la determinación de las características finales del producto. Lo que todos los polioles tienen en común es la presencia de grupos hidroxilo reactivos incluso si la reactividad de los grupos -OH está estrechamente ligada a la naturaleza del átomo de carbono al que están enlazados y, en particular, es máxima para los átomos de carbono primarios y reducida para es secundaria. Los polioles para espumas rígidas pertenecen a dos familias principales, dentro de las cuales se diferencian varios productos:
• alifático
• aromáticos
La familia de los polioles alifáticos incluye poliésteres, poliéteres, algunos amino y algunos polioles derivados de aceites vegetales, incluidos los derivados del aceite de soja, mientras que los polioles de Mannich, poliésteres aromáticos, algunos de ellos pertenecen a la familia de los polioles aromáticos; polioles a base de novolacas y aminoácidos, y finalmente los polioles derivados del aceite de anacardo. La naturaleza del poliol tiene un fuerte efecto sobre las propiedades físico-mecánicas, térmicas y de resistencia al fuego del PUR. Los polioles difieren en su peso molecular, estructura y funcionalidad: en particular, el peso molecular PM y la funcionalidad "f", definida como el número de enlaces –OH por mol de poliol, son esenciales para determinar la naturaleza de las espumas. hecho. Para producir espumas rígidas, se utilizan polioles caracterizados por bajo peso molecular (menos de 1500 dalton), alta funcionalidad (en el rango 3 ÷ 8) y índice de hidroxilo superior a 200 [mg KOH/g]: permiten la obteniendo alta rigidez y un alto grado de enlaces intermoleculares. Los polioles aromáticos, caracterizados por la presencia del núcleo aromático que tiene baja movilidad y alta rigidez, tienen una fuerte contribución en conferir rigidez a los poliuretanos producidos.
Diisocianatos
Los diisocianatos son una familia de elementos químicos fundamentales que se utilizan para una amplia gama de productos de poliuretano. Los diisocianatos aromáticos que más se utilizan son el diisocianato de tolueno (TDI) y el diisocianato de metileno difenil (MDI). Menos utilizados, aunque importantes, son los diisocianatos alifáticos, incluidos el hexametilendiisocianato (HDI), MDI hidrogenado (H12MDI) e isoforondiisocianato (IPDI).
El TDI se utiliza principalmente para hacer espuma de poliuretano flexible que se puede encontrar en una amplia gama de productos de uso diario, como muebles, ropa de cama, refuerzo de alfombras y envases. El TDI se utiliza también en la fabricación de algunos recubrimientos, selladores, adhesivos y elastómeros. El TDI se usa en la fabricación de asientos de automóviles y acabados más livianos; lo que permite ahorrar peso y hacer vehículos más eficientes en materia de energía.
El MDI se usa principalmente para fabricar espumas rígidas de poliuretano para sistemas de aislamiento para el hogar o el refrigerador, y en varios usos más. El aislamiento hecho con MDI permite ahorrar en calefacción y refrigeración y también energía. Las piezas de un vehículo, como los tableros de instrumentos, volantes y parachoques también están hechas de MDI.
Muy a menudo, HDI, H12MDI y IPDI se someten a una reacción adicional para formar poliisocianatos o pre-polímeros, que actúan como elementos fundamentales para recubrimientos y elastómeros de poliuretano de color estable, componentes que pueden mejorar significativamente la apariencia de un producto, alargar su vida útil y ofrecer una alta resistencia a la abrasión. Los revestimientos resistentes a los productos químicos a base de diisocianatos alifáticos permiten que los aviones comerciales mantengan la durabilidad y resistencia necesarias para soportar condiciones atmosféricas adversas. Los revestimientos preparados con diisocianatos alifáticos pueden tener una excelente resistencia a la abrasión, así como cualidades superiores de resistencia a la intemperie. Incluso retienen el brillo y resisten al proceso de amarilleo y a las formaciones cálceas, además de prolongar el tiempo entre ciclos de pintura.
Catalizadores
Los catalizadores utilizados en la producción de espumas se utilizan para regular la tasa de crecimiento de las espumas y para obtener la finalización de las diversas reacciones que tienen lugar dentro de la espuma de poliuretano: las principales reacciones en la producción de una espuma de poliuretano son la reacción entre polioles e isocianato. que forma la red del polímero, y la que se encuentra entre el isocianato y el agua, lo que contribuye a la expansión de la espuma, así como a la formación de la red por medio de enlaces ureicos. En la producción de una espuma de poliuretano, se utilizan varios tipos de catalizadores,
para optimizar los tiempos característicos de la espuma (crema, hilo y tiempo sin huella), y acelerar la formación de isocianuratos en determinadas aplicaciones. Las reacciones son aceleradas por aminas terciarias alifáticas con bajo impedimento estérico, como dimetilciclohexilamina, y por algunos compuestos de estaño, como el octato de estaño. La acción de los catalizadores se dirige hacia una reacción específica:
- Los catalizadores de soplado reducen el tiempo de crema, acelerando el desarrollo de dióxido de carbono y por lo tanto la expansión de la espuma.
- Los catalizadores de gel reducen el tiempo de impresión y del hilo dental, acelerando la formación del polímero. Suelen tener una ligera influencia sobre el tiempo de crema
- Los catalizadores de trimerización aumentan el rendimiento de isocianurato y se utilizan solo para índices de isocianato superiores a 130
Es necesario buscar un compromiso entre la trabajabilidad del material y un acortamiento de los tiempos de producción de acuerdo con las propiedades deseadas para la espuma: de hecho, al reducir el tiempo de crema, se dispone de un tiempo más corto para la homogeneización de la mezcla, sin embargo si este tiempo aumenta la expansión de la espuma es contrarrestada por la reticulación en curso, y la densidad final no será óptima. En cambio, al actuar sobre los catalizadores de polimerización, un aumento de los tiempos más allá de los 120 segundos generalmente implica una mala retención del expansor físico dentro de la espuma y la entrada de aire con un aumento de la conductividad térmica; una reducción en el tiempo del hilo provoca en cambio una mayor competencia con la reacción entre el agua y el isocianato, lo que resulta en una mayor retención del expansor físico y una menor densidad.
Agentes en expansión
Los agentes de expansión son responsables de la estructura celular particular de los polímeros expandidos. Durante la polimerización dan lugar a burbujas de gas que hinchan la mezcla formando células. Dependiendo del mecanismo de formación de burbujas de gas, los agentes de expansión se dividen en dos categorías distintas: agentes de expansión químicos y físicos. Los agentes espumantes químicos son sustancias que producen gas después de una reacción química con un componente de la formulación. El ejemplo más importante es el del agua; otros ejemplos de agentes de expansión químicos son ácidos carboxílicos o derivados, tales como ácido fórmico. Los agentes de expansión física, en cambio, son sustancias volátiles, líquidos de bajo punto de ebullición o gases licuables a baja temperatura y / o presión que se evaporan debido al calor liberado durante la polimerización; Los clorofluorocarbonos (CFC) entran en esta categoría de agentes de expansión, prohibidos por el Protocolo de Montreal de 1987, los hidroclorofluorocarbonos (HCFC), actualmente ya no utilizables, los hidrofluorocarbonos (HFC) y los hidrocarburos (HC). Las dos primeras generaciones de agentes espumantes físicos poseían excelentes características desde el punto de vista de trabajabilidad y seguridad, dada su no inflamabilidad y no toxicidad intrínseca, sin embargo tenían un alto impacto de destrucción del ozono atmosférico (ODP) y también causaban un efecto invernadero considerable (GWP). La tercera generación de agentes espumantes físicos, los HFC, tiene un ODP igual a 0, mientras que en cambio todavía tiene un efecto invernadero significativo y su costo relativamente alto tiende a limitar su uso. Los hidrocarburos (HC), como el pentano y el n-pentano, tienen valores mínimos de los índices ODP y GWP, sin embargo, son intrínsecamente inflamables; también requieren tensioactivos específicos.
Los criterios clave para elegir el agente de expansión son los siguientes:
- Conductividad térmica del expansor. Un factor importante especialmente en el caso de materiales aislantes con espesor limitado;
- Facilidad de uso. Los expansores inflamables (por ejemplo, pentanos) requieren condiciones de seguridad adecuadas, mientras que los agentes expansores de bajo punto de ebullición requieren un control adecuado de la presión y la temperatura;
- Solubilidad del expansor en la matriz. Varía considerablemente, pero debe ser lo más bajo posible para asegurar una presión de gas suficientemente alta en las células y una plastificación de la matriz reducida, a fin de evitar problemas estructurales.
Surfactantes
Los tensioactivos se añaden a la formulación de la espuma principalmente por su capacidad para reducir la tensión superficial del poliol, promoviendo así la emulsión y la compatibilidad entre los reactivos y regulando el crecimiento de la espuma. El uso de tensioactivos de tipo silicona no influye significativamente en la comportamiento frente al fuego del polímero. Los tensioactivos se introducen en cantidades variables entre el 0,5% y el 1% de la masa total de los reactivos y la falta de una cantidad adecuada provoca una estructura celular irregular, caracterizada por células grandes. Se ha demostrado que una cantidad en exceso no conduce a alteraciones de la estructura celular. Los tensioactivos son importantes para prevenir el colapso de la espuma durante el crecimiento y estabilizar la estructura hasta que la espuma sea autoportante. La elección del tensioactivo contribuye a determinar el porcentaje de células cerradas de la espuma y aumenta la resistencia mecánica de la espuma.
Retardantes de llama
Las espumas de poliuretano y poliisocianuro son intrínsecamente combustibles y, por lo tanto, requieren el uso de sustancias que interfieran en el proceso de combustión. Los retardantes de llama se utilizan para contrarrestar el proceso de combustión de un polímero y pueden actuar en fase gaseosa y / o sólida, de acuerdo con varios mecanismos:
- dilución de la mezcla gaseosa con gases inertes;
- enfriamiento de la llama por reacciones endotérmicas;
- inhibición de reacciones químicas de propagación de llamas;
- formación de carbonilla;
- intumescencia;
- fusión del material
También se pueden utilizar diferentes retardantes de llama en combinación entre ellos, de tal manera que se aproveche cualquier efecto sinérgico
Aplicaciones
- La espuma de poliuretano flexible se usa en almohadones para muebles, calzado, automóviles, colchones y otros usos
- La espuma de poliuretano rígida se utiliza en varios tipos de aislamiento de edificios, electrodomésticos, automóviles y otros equipos
Otras formas de poliuretano, tales como recubrimientos, adhesivos y selladores, se usan en la construcción y edificación, aplicaciones de recubrimiento industriales y comerciales, así como en una variedad de usos automotrices. Sin poliuretano, muchos de los productos que utilizan diariamente los consumidores serían menos cómodos, menos eficientes y no funcionarían tan bien. Debido a su versatilidad, el poliuretano añade valor y proporciona soluciones para muchos productos y tipos de usos.
El poliuretano en los electrodomésticos. Las espumas rígidas de poliuretano se utilizan como aislamiento en refrigeradores y congeladores, para el almacenamiento de alimentos en el hogar y comercios y en el transporte; y permiten ahorrar energía y mejorar los requisitos de desempeño.
El poliuretano en la industria automotriz. Los poliuretanos se utilizan en los automóviles para reducir el peso, aumentar el ahorro de combustible y, a su vez, ofrecer comodidad y seguridad, además de una excelente resistencia a los productos químicos y a la intemperie. Un vehículo promedio de tamaño mediano en los Estados Unidos utiliza alrededor de 60 libras de material de poliuretano. Además de la espuma que facilita la comodidad de los asientos de los automóviles; los poliuretanos se utilizan en el parachoques, el “acabado” interior, las secciones del techo, la carrocería, los alerones, las puertas y los tableros.
El poliuretano en la edificación y construcción. Los edificios actuales exigen materiales de alto rendimiento que sean resistentes, livianos y tengan un buen desempeño. A su vez, se deben poder instalar fácilmente y ser duraderos y versátiles. Gracias a su excelente ratio resistencia/peso, la resistencia a la transferencia de calor, la durabilidad y versatilidad, el poliuretano está presente en varios tipos de materiales de aislamiento de alta eficiencia, selladores y adhesivos para viviendas y edificios.
El poliuretano en los artefactos electrónicos. Con frecuencia, los poliuretanos se utilizan en las industrias eléctrica y electrónica, para proteger los componentes microelectrónicos frágiles y sensibles a la presión; los cables submarinos y las placas de circuito impreso.
El poliuretano en los pisos. Ya sea que se usen como refuerzo de alfombras de espuma, recubrimiento de superficies o adhesivos para el piso, los poliuretanos pueden mejorar la durabilidad de los pisos, facilitar su mantenimiento hacer que luzcan más agradables estéticamente. La espuma de poliuretano flexible como refuerzo de las alfombras puede aumentar significativamente la vida útil de la alfombra, proteger su aspecto, proporcionar comodidad y apoyo y reducir el ruido ambiental. Los poliuretanos también se utilizan como recubrimientos protectores sobre pisos; lo que facilita su limpieza y mantenimiento.
El poliuretano en el mobiliario. El poliuretano, sobre todo en forma de espuma flexible, es uno de los materiales más utilizados en muebles, ropa de cama y refuerzos de alfombras. Como material de relleno para muebles tapizados, la espuma de poliuretano flexible hace que los muebles sean más duraderos, cómodos y resistentes.
El poliuretano en la industria marítima. Los navegantes actuales pueden tener las comodidades del hogar en el agua, en parte gracias a la espuma de poliuretano flexible. Las resinas a base de poliuretano y resinas epoxi sellan los cascos de los barcos y evitan las filtraciones de agua, la acción del clima, la corrosión y los factores que aumentan la fricción, afectan a la hidrodinámica y reducen la durabilidad. Además, la espuma de poliuretano rígida aísla los barcos de los ruidos y las temperaturas extremas, proporciona abrasión y resistencia al rasgado y aumenta la capacidad de carga con un peso mínimo. El poliuretano termoplástico también es ideal para la industria marítima. Es una sustancia elástica, resistente y de fácil procesado, muy adecuada para recubrimientos de alambres y cables, tuberías del motor, correas de transmisión, mangueras hidráulicas y sellos; e incluso en el proceso de moldeo del barco.
El poliuretano en el envasado. La espuma de poliuretano para el envasado proporciona un sistema de amortiguación más económico, se usa para proteger los elementos que necesitan mantenerse fijos y seguros en su lugar durante el transporte; como los equipos electrónicos y el equipamiento médico de diagnóstico, cristalería delicada y grandes piezas industriales. También puede utilizarse como un adhesivo en ciertas aplicaciones de embalaje flexible.
Preparación
Los poliuretanos se forman a partir de la reacción de un poliol (un alcohol con más de dos grupos de hidroxilo reactivos por molécula) con un tipo de producto químico llamado diisocianatos, que se mezclan para crear diferentes tipos de usos de poliuretano. La mayoría de los productos de poliuretano son totalmente “curados” antes de su venta; por lo tanto, la reacción química que produce el producto es completa. La exposición a los diisocianatos sin curar puede causar ciertos efectos en la salud. Sin embargo, se espera que la exposición del consumidor a los isocianatos sin curar sea de muy baja magnitud y frecuencia. Los productos de consumo que contienen isocianatos sin curar (como ciertos adhesivos y selladores) se acompañan con la información de seguridad sobre el producto, como las etiquetas de advertencia que incluyen las características de las sustancias químicas, el tiempo de curación aproximado y de qué forma los consumidores pueden protegerse durante la manipulación del producto. Los fabricantes de productos con diisocianatos no curados hacen hincapié en que los consumidores deben leer cuidadosamente las etiquetas y hojas de información de seguridad del fabricante del producto para obtener información sobre los posibles efectos para la salud, las propiedades químicas y cómo controlar la exposición. Seguridad contra incendios Algunos bienes de consumo, como muebles y ropa de cama, pueden tener retardantes de llama que les permitan cumplir con las normas y los requisitos de seguridad contra incendios. Del mismo modo, el aislamiento de poliuretano, al igual que otros materiales de construcción y edificación, posee retardante de llama para cumplir con las normas de seguridad contra incendios y los requisitos del código de construcción para resistencia a las llamas.
¿Qué es el poliuretano?
Por dentro, los poliuretanos son polímeros. Son cadenas de estructuras tridimensionales compuestas por unidades de repetición llamadas monómeros. Estos conforman el producto final del poliuretano una vez curado. Muchos de los poliuretanos producidos en entornos industriales tienen la forma de grandes bloques de espuma que se cortan para usar en la confección de zapatos o en almohadones, o para aislamiento térmico.
Espectrometría infrarroja por Transformadas de Fourier (FTIR)
